GB-T 43967-2024 空间环境 宇航用半导体器件单粒子效应脉冲激光试验方法

ICS49.020CCSV06中华人民共和国国家标准GB/T43967—2024空间环境宇航用半导体器件单粒子效应脉冲激光试验方法Spaceenvironment—Testmethodofsingleeventeffectsinducedbypulsedlaserofsemiconductordevicesforspaceapplication2024-04-25发布2024-04-25实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会ⅠGB/T43967—2024前言 Ⅲ1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14试验目的 35试验原理 36一般要求 36.1试验环境 36.2试验样品 36.3试验条件参数设定 36.4激光能量分析 56.5试验人员 56.6单粒子效应脉冲激光模拟试验装置要求 66.7激光辐射安全和辐射防护 67试验设计 67.1试验样品测试硬件设计 67.2试验样品测试软件设计 67.3试验测试要求 78试验过程 78.1试验方案制定 78.2试验流程 78.3试验启动 88.4激光单粒子效应敏感度测试 88.5单粒子效应测试 98.6试验停止条件 98.7改变测试条件或测试程序 98.8更换样品 99试验结果处理 99.1试验数据分析处理 99.2试验报告 10附录A(资料性)单粒子效应脉冲激光模拟试验原理 11ⅢGB/T43967—2024本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)归口。本文件起草单位:中国科学院国家空间科学中心、中国航天科技集团有限公司第八研究院第八〇四研究所。1GB/T43967—2024空间环境宇航用半导体器件单粒子效应脉冲激光试验方法1范围本文件规定了利用脉冲激光辐射源开展宇航用半导体器件(以下简称“器件”)单粒子效应模拟试验的试验设计与程序。本文件适用于宇航用半导体器件单粒子效应等的单光子或双光子吸收机制的脉冲激光模拟试验的试验设计与过程控制。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T7247.5激光产品的安全第5部分:生产者关于GB7247.1的检查清单GB/T19022测量管理体系测量过程和测量设备的要求GB/T27418测量不确定度评定和表示GB/T32304航天电子产品静电防护要求GB/T39343—2020宇航用处理器器件单粒子试验设计与程序3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。单粒子效应singleeventeffect;SEE单个高能粒子作用于器件所引发的翻转、锁定、烧毁等现象。3.2单粒子翻转singleeventupset;SEU单个高能粒子作用于器件,引发器件逻辑状态发生变化的一种效应。3.3单粒子锁定singleeventlatchup;SEL单个高能粒子作用于硅衬底电路,导致寄生可控硅结构导通,造成器件低电阻、大电流状态的一种辐射效应。3.4单粒子烧毁singleeventburnout;SEB单个高能粒子作用于半导体功率器件,导致寄生晶体管导通,造成器件大电流、高电压状态被击穿或热损坏的一种效应。2GB/T43967—20243.5单粒子功能中断singleeventfunctioninterrupt;SEFI单个高能粒子作用于芯片功能区,导致芯片无法正常配置,失去功能的一种效应。3.6线性能量传输linearenergytransfer;LET带电粒子沿径迹单位长度沉积的能量。注:单位为兆电子伏特平方厘米每毫克(MeV·cm2/mg)。3.7激光入射能量incidentlaserenergy激光入射到被试器件表面的单个脉冲激光的能量值。注:单位为皮焦耳(pJ)。3.8脉冲激光注量pulsedlaserfluence入射到被试器件单位面积的脉冲激光总数。注:单位为每平方厘米(cm-2)。3.9激光有效能量lasereffectiveenergy脉冲激光从器件正面或衬底面进行辐射,诱发电荷被器件有源区内的敏感PN结收集后产生同高能粒子作用结果相同,在有源区内沉积的能量。注:单位为皮焦耳(pJ)。激光等效重离子LET值equivalentlinearenergytransfer;ELET以激发的电荷量为参照量,用LET值来表征脉冲激光在器件有源区内单位长度沉积的能量。注:单位为兆电子伏特平方厘米每毫克(MeV·cm2/mg)。激光有效能量阈值effectiveenergythresholdoflaser诱发单粒子效应发生所需要的最低脉冲激光有效能量。注:单位为皮焦耳(pJ)。激光单粒子事件截面singleeventcrosssectioninducedbylaser单位脉冲激光注量导致单粒子效应发生的次数或概率。注:单位为平方厘米每器件(cm2/器件)或平方微米每位(μm2/位)。激光测试敏感区域定位sensitiveareamappingbylaser脉冲激光对被试器件逐点扫描,同步检测和记录器件发生单粒子效应的情况,获得被试器件内部对单粒子效应敏感的空间分布特征,记录区域坐标信息。激光光斑影响因子laserspoteffectfactor聚焦激光束到器件有源区内对诱发单粒子效应具有贡献的激光有效能量与整个激光光斑有效能量的比值。3GB/T43967—20244试验目的通过脉冲激光单粒子效应试验,获得器件单粒子效应发生的阈值,单粒子效应截面与入射激光能量(对应重离子等效LET值)的关系,测得器件发生单粒子效应的敏感位置信息,测得器件单粒子效应的敏感性。5试验原理脉冲激光能够模拟试验空间高能粒子在器件中产生单粒子效应,是由于聚焦后的单个激光脉冲能够通过光致电离的作用机制,在器件内部产生高电荷密度的电离径迹(大量额外的电子-空穴对),当光子能量大于半导体禁带宽度时,价带电子吸收光子引起的电子从价带到导带的跃迁形成光致电离。依据其产生一个电子-空穴对需要吸收的光子个数分为单光子吸收(SPA)、双光子吸收(TPA)和多光子吸收(MPA)等机制。具体原理见附录A。6一般要求6.1试验环境试验环境条件应满足:a)环境温度:20℃~30℃;b)相对湿度:25%~60%;c)洁净度:激光装置光路开放条件下等级优于十万级;d)静电防护:符合GB/T32304的规定;e)振动:激光装置光路置于隔振光学平台上,对激光聚焦平面上下振幅影响小于3μm。6.2试验样品试验样品要求如下。a)同一批产品的被试器件数量应不少于3只;被试器件应测试合格;每一个被试器件应编号,并在试验中按编号记录数据。b)对未封装的裸芯片宜采用COB(板上芯片)封装并暴露衬底面;已经封装完好的被试器件应优先从器件衬底面开孔被。被试器件应优先背部开孔暴露硅衬底,开封装后应保证封装材料完全被去除,除特殊要求下器件应完全暴露。倒装封装的被试器件应从封装正面开孔;非倒装塑封被试器件,从封装背面开孔。c)被试器件的正面开帽应符合GB/T39343—2020的规定。开帽后,拍照记录芯片的特征(芯片版本号),应对被试器件进行常态功能和电性能测试,测试合格的被试器件方可进行后续试验。d)开帽后的被试器件在运输中,应采取防机械冲击、防静电等措施。6.3试验条件参数设定6.3.1最恶劣测试条件采用最恶劣测试条件进行单粒子效应测试,应符合GB/T39343—2020的规定,还应根据下列要求4GB/T43967—2024选择测试条件:a)单粒子翻转测试程序覆盖产品手册规定的单粒子效应敏感单元;b)单粒子锁定测试在产品手册规定的最高工作电压下进行;c)单粒子锁定测试覆盖产品手册规定高温工作环境下的最高工作温度;d)单粒子烧毁测试覆盖被试器件产品手册规定的工作电压范围;e)单粒子功能中断测试器件的典型功能配置。6.3.2典型应用条件在典型应用条件下进行单粒子效应测试应征得各方同意。6.3.3脉冲激光扫描设定脉冲激光扫描设定应满足以下要求。a)脉冲激光注量在2×106脉冲/cm2~1×107脉冲/cm2之间,脉冲激光注量率与激光重复频率及移动台扫描速度相关。b)安装测试电路板时,样品长轴对应样品成像观测的Y轴,宽轴对应样品成像观测的X轴,或可形成一定角度;样品的左下角作为成像观测坐标轴原点,即扫描起点,如图1所示。c)试验时,设定三维移动台扫描程序作周期扫描移动,保证脉冲激光均匀覆盖扫描测试器件。同时,X轴、Y轴移动步长设置应满足a)对脉冲激光注量的要求。除另有规定外,周期自动扫描程序设定方式按如下顺序执行:1)从扫描起点沿Y轴正方向依次移动步长Δa;2)沿X轴正方向移动X轴步长Δb;3)沿Y轴负方向依次移动距离Δa;4)沿X轴正方向移动X轴步长Δb;5)重复1)~4)过程直到扫描终点。图1激光扫描方式示意图6.3.4试验设计的基本要求针对不同类型的SEE,试验设计的基本要求应符合GB/T39343—2020中4.3.3的规定。5GB/T43967—20246.4激光能量分析6.4.1激光能量测量与监测试验器件需求分析应符合GB/T39343—2020的规定,激光能量测量与监测应满足以下要求:a)选择合适的能量量程,并且测量前复位;b)试验时,能量计探头光窗与激光光斑聚焦平面的距离在能量计可承受的最大能量密度范围内;c)保证激光垂直入射能量计表面;d)具备实时监测脉冲激光入射能量E0和实时记录脉冲激光重复频率的能力。6.4.2激光能量值设定辐射试验激光能量值设定宜满足以下要求。a)参照与被试器件结构、工艺接近器件的单粒子效应阈值试验数据,推测被试器件的单粒子效应LET阈值范围;或依照试验方案设定测试所需的LET值。b)根据推测的LET阈值范围或设定试验方案确定的LET值,按照诱发器件单粒子效应的LET值与激光有效能量Eeff及入射能量E0的对应关系,根据吸收机制的不同,单光子吸收机制利用公式(1)确定试验需要的初始入射激光能量,双光子吸收机制情况下利用公式(2)确定试验需要的初始入射激光能量:E0=…………(1)E0=LET/1/2…………式中:E0—入射到被试器件表面的激光能量值,单位为皮焦耳(pJ);α—器件内材料发生单光子吸收机制的吸收系数,单位为每厘米(cm-1);d—器件衬底厚度,单位为厘米(cm);k—诱发器件单粒子效应的LET值与激光有效能量Eeff的对应关系系数;R—器件表面反射率;R'—器件金属层反射率;f—激光光斑影响因子;ef—重离子与激光产生一个电子空穴对的比值,单位为电子伏特(eV);λ—试验采用的激光波长,单位为纳米(nm);β—器件内材料发生双光子吸收机制的吸收系数,单位为吉瓦每厘米(GW/cm);ρ—器件内材料的密度,单位为克每立方厘米(g/cm3);h—普朗克常数,单位为牛顿米每秒(N·m/s);c—光速,单位为米每秒(m/s);ω—脉冲激光宽度,单位为秒(s);σ—激光光斑面积,单位为平方厘米(cm2)。6.5试验人员试验人员应经过相关知识培训才能上岗,具有紧急事件处理能力。具体要求如下:6GB/T43967—2024a)试验人员应掌握半导体器件的基础知识,了解单粒子效应原理,可从理论角度提供器件辐照试验过程中的突发状况的解决办法;b)熟悉器件工作状态,可确定辐照试验中激光参数等对器件的影响,决定试验进度;c)了解试验环境,包括试验场所、试验环境搭建、试验板操作等。6.6单粒子效应脉冲激光模拟试验装置要求试验中所使用的仪器与设备应按照GB/T19022的规定进行校准。单粒子效应脉冲激光试验装置要求如下:a)应根据被试器件材料的实际禁带宽度大小及激光吸收机制选择激光器,单光子吸收需要求单光子能量大于材料的禁带宽度,双光子吸收要求双光子能量大于材料的禁带宽度,并且所选取的激光波长应能够穿透器件的有源区;b)激光能量计量程应覆盖单粒子效应脉冲激光试验所需能量范围,且能够监测脉冲激光的重复频率及单脉冲激光能量稳定性;c)显微镜放大倍数应满足单粒子效应脉冲激光试验对聚焦光斑及工作距离的要求,聚焦后的激光光斑需能够触发器件的单粒子效应;d)三维移动台最小步距应具备X、Y、Z三轴方向移动能力,且应满足单粒子效应脉冲激光试验扫描辐射要求。6.7激光辐射安全和辐射防护激光辐射安全防护及操作应符合GB/T7247.5的规定。7试验设计7.1试验样品测试硬件设计单粒子效应测试硬件应符合GB/T39343—2020中的要求,被试样品应安装在试验电路板上,且放置于大气试验环境中。试验电路板和电缆应符合以下要求:a)尺寸、重量满足三维移动台部件要求;b)具有良好的机械稳定性和可移动性,若辐射试验板需要增加必要的散热部件,保证其不影响试验板和三维移动台的机械稳定性和可移动性;c)具有良好的抗电磁干扰能力;d)安装孔位符合三维移动台部件要求;e)保证激光垂直入射到被试器件单粒子效应敏感区域,同时确保其在电路板上的电性能安全;f)被试器件的测试区域平面与聚焦物镜焦平面重合;g)若辐射试验板上采用了除被试器件外的其他元器件,保证其不影响显微物镜对被试器件的观察和三维移动台对被试器件的移动。7.2试验样品测试软件设计对于需要开发测试软件的器件,包括存储器、逻辑类等器件,测试软件应符合GB/T39343—2020的要求。7GB/T43967—20247.3试验测试要求7.3.1试验样品电路板安装调试被试器件试验电路板安装调试应满足以下要求:a)将连接好的试验电路板固定在三维移动台上,检测功能和通信是否正常;b)保证试验电路板与试验台的移动一致性,保证入射激光光束与被试器件暴露表面夹角θ满足89.5°≤θ≤90°。7.3.2激光聚焦平面位置设定激光聚焦平面位置设定应满足以下要求:a)正面辐射器件时激光能穿透器件金属布线层以到达有源区内;b)背面辐射器件时激光穿透深度大于衬底厚度以保证激光可到达器件有源区内。7.3.3被试器件扫描区域设定被试器件扫描区域设定应满足以下要求:a)覆盖整个被试器件或拟测试的特定区域;b)测量被试器件管芯或者拟测试区域的长度和宽度数值;c)保证三维移动台在扫描区域匀速运动;d)宽度b不小于b)要求测得的宽度。8试验过程8.1试验方案制定试验前应制定试验方案,应包括以下内容:a)试验方案编号和试验方案名称;b)试验目的;c)试验地点、试验日期及试验环境;d)试验设备的名称、型号、用途及校准情况;e)激光能量、脉冲激光注量及扫描辐射方式;装及衬底减薄处置情况等;g)试验期间对被试器件加的测试条件;h)单粒子效应试验的类别及测试要求:测试周期、频率、测试程序和温度及判据;i)日程安排;j)试验内容及方法;k)试验数据记录及分析处理方法;l)特殊说明。8.2试验流程试验流程如图2所示。8GB/T43967—2024图2单粒子效应激光试验流程图8.3试验启动对被试器件及单粒子效应测试系统加电,被试器件和效应检测系统进入正常工作模式。8.4激光单粒子效应敏感度测试8.4.1激光单粒子效应能量阈值测试阈值测试流程如下:a)调节脉冲激光装置发射的激光能量并对被试器件进行扫描辐射测试;b)按照设定的初始激光能量,以最小10%幅度逐次增加或减小入射激光能量进行辐射试验。注:根据目标LET值大小设定增减幅度,使得被试器件发生单粒子效应的最低能量和不发生单粒子效应的最高能量相差小于最低能量的10%或能量计的最低分辨率,获取脉冲激光有效能量阈值。8.4.2激光单粒子事件截面测试依据6.4.2设定初始入射激光能量,以脉冲激光注量垂直被试器件表面进行扫描辐射,检测器件发生单粒子效应事件数。根据两个以上能量辐射下发生的单粒子效应事件数,判断合理的激光能量的增加幅度及区间,改变激光能量,获得5种以上不同的单粒子效应事件数数据。激光能量范围覆盖被试器件出现单粒子效应到单粒子效应事件达到饱和截面所对应的有效能量范围。8.4.3激光测试敏感区域定位利用脉冲激光逐点逐脉冲辐射扫描被试器件或设定区域,实时同步检测记录其单粒子效应现象和发生单粒子效应的辐射点位置,具体流程如下:9GB/T43967—2024a)建立被试器件暴露的表面的二维坐标系,确定扫描起始原点;b)获取移动台传感器数据;c)利用脉冲激光对被试器件进行逐点扫描辐射并记录发生单粒子效应的位置信息,同步检测和记录器件发生单粒子效应的情况;d)绘制敏感区域坐标分布图。8.5单粒子效应测试利用效应检测系统对被试器件进行单粒子效应测试。记录被试器件发生的单粒子效应类别和数量、脉冲激光注量、激光入射能量;如需要时测试记录单粒子效应敏感位置坐标信息。8.6试验停止条件满足下列条件之一,可结束试验:a)在试验方案规定的最高目标LET值或107脉冲/cm2激光脉冲注量下没有发生单粒子效应;b)按照试验方案,完成了所有样品的辐射试验并获得了一定数量的单粒子效应数量统计值。8.7改变测试条件或测试程序当试验方案有规定时,改变测试条件或测试程序,进行辐射。记录被试器件发生的单粒子效应类别和数量、激光注量、激光入射能量;如需要时记录单粒子效应敏感位置坐标信息,以及相关数据的测量不确定度。8.8更换样品当1只被试样品完成了试验方案规定激光辐射试验,需更换被试样品,再进行单粒子效应测试。9试验结果处理9.1试验数据分析处理9.1.1单粒子效应激光能量阈值针对测试到的器件单粒子效应的阈值激光入射能量,换算为激光到达被试器件有源区的激光有效能量Eeff。测算方式见A.4。9.1.2激光单粒子事件截面针对测试到的器件单粒子效应事件数和激光脉冲注量,计算对应的激光入射能量、有效能量(或者相对应ELET)激光照射下器件的单粒子效应截面。单粒子效应截面曲线计算方式见A.6。9.1.3激光测试敏感区域定位应根据试验过程中记录的器件单粒子效应敏感位置及对应的单粒子效应数据,在试验确定的坐标系内绘制器件对单粒子效应敏感的分布图,进一步映射至被试器件版图,获得激光测试的单粒子效应敏感区域分布。9.1.4试验结果不确定度分析对于试验获得的关键数据,依据GB/T27418进行试验结果不确定度分析。对于试验获得的关键高LET值阈值数据,宜进行重离子辐射源的校对验证。10GB/T43967—20249.2试验报告试验报告应包括以下内容:a)试验报告编号;b)试验方案编号;c)试验目的;d)试验地点、试验日期及试验环境;e)试验设备的名称、型号、用途及校准情况;f)激光能量(ELET值)、激光脉冲注量及扫描辐射方式;开封装及衬底减薄处置情况等;h)试验期间被试器件加的测试条件;i)单粒子效应试验的类别及测试要求:测试周期、频率、测试程序和温度及判据;j)试验内容及方法;k)试验数据记录及分析处理方法,试验测试过程中的运行测试细节;l)试验结果(单粒子效应阈值、截面或敏感区域等)及其他。11GB/T43967—2024附录A(资料性)单粒子效应脉冲激光模拟试验原理A.1单粒子效应脉冲激光模拟试验原理概述脉冲激光能够模拟试验空间高能粒子在器件中产生单粒子效应,是由于聚焦后的单个激光脉冲能够通过光致电离的作用机制,在器件内部产生高电荷密度的电离径迹(大量额外的电子-空穴对),如图A.1所示,这些额外电荷被器件有源区附近的敏感PN结收集后可产生同高能粒子作用结果相同的单粒子效应现象。单粒子效应脉冲激光试验优先推荐采用背部辐照方式。图A.1脉冲激光模拟单粒子效应物理原理A.2光子吸收主要机制A.2.1光子吸收机制原理物质对光子的吸收与其材料的电子能带结构有关,对于脉冲激光与半导体材料的相互作用过程,当光子能量大于半导体禁带宽度时,价带电子吸收光子引起的电子从价带到导带的跃迁形成光致电离。(SPA)、自由载流子吸收和双光子吸收(TPA)三种机制,如图A.2所示。a)b)c)标引符号说明:—光子的能量;Ec—半导体材料的导带;EV—半导体材料的价带。图A.2光子主要吸收机制示意图12GB/T43967—2024A.2.2单光子吸收在通常情况下,脉冲激光与硅半导体材料作用以单光子吸收为主,即价带电子吸收单个入射光子能量后迁跃到导带成为自由电子的过程。A.2.3自由载流子吸收和双光子吸收当半导体掺杂浓度很高或激光强度较大时会出现自由载流子吸收和双光子吸收两种光致电离机制。当半导体中等离子体振荡频率与激光频率接近时,将出现共振吸收,光子能量被等离子体的自由电子吸收后使其能量增加,因此这种吸收机制只产生自由电子的加热效果,而不产生新的电离。计算表明,对于1064nm的激光,要产生共振吸收所需要的掺杂浓度分别为1.1×1020/cm3,通常微电子器件中部分高掺杂区域的杂质浓度可达到1018/cm3~1019/cm3,在脉冲激光测试器件单粒子效应时自由载流子吸收机制的影响不必考虑。当激光的能量密度很高时(1GW/cm2量级),会出现两个光子同时被吸收的现象,导致激光光致电离电荷量减少利用波长为1064nm的皮秒脉冲激光进行硅基器件单粒子效应试验时,双光子吸收作用较弱,通常忽略不计。对于SiC基器件,与体硅类似采用单光子吸收效应进行脉冲激光单粒子效应试验,单个光子能量需大于SiC的禁带宽度(3C-SiC,2.3eV;4H-SiC,3.2eV;6H-SiC,3.0eV),所以3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC器件采用的激光单光子吸收波长需要分别小于538nm(3C)、387nm(4H)、413nm(6H)。对于GaN基器件,需要两个光子的能量满足大于GaN禁带宽度(3.39eV),因此选择的脉冲激光光波长需要小于729nm,大于单光子的364nm。在双光子吸收中效应,同时需要考虑器件内存在的陷阱能级导致的器件的漏电流的增大,为了满足光功率足够高的要求,激光器的脉冲选择飞秒。A.3背部辐照试验由于脉冲激光无法穿透器件正面的金属布线层,因此,采用从器件硅衬底面进行辐照试验的方式,如图A.3所示。考虑到器件硅衬底厚度通常为几百微米,采用此种试验方法与正面辐照的不同之处在于,需将激光微束的聚焦平面置于器件有源区附近的敏感部位,才能有效模拟重离子电离辐照诱发单粒子效应的过程。a)b)图A.3器件背部的激光微束聚焦示意图依据光学折射定律,可得到以下公式用于计算和实施器件背部辐照激光聚焦平面的调节值,见公13GB/T43967—2024式(A.1)、公式(A.2)。Z1=Z0+…………(A.1)ΔZ=Z1-Z0=…………(A.2)式中:Z1—激光聚焦于有源区时的焦平面坐标位置,单位为微米(μm);Z0—激光聚焦平面处于衬底表面时在Z轴方向的坐标位置,单位为微米(μm);ΔZ—Z轴上移的高度,单位为微米(μm);h—硅衬底的厚度,单位为微米(μm);n—激光在硅材料中折射率。A.4激光能量换算入射激光能量E0会经历在器件硅衬底表面的反射、硅衬底衰减、器件正面金属布线层的反射,最终达到有源区附近的为有效激光能量Eeff诱发器件产生单粒子效应。入射激光能量E0是能够直接测量的参量,而有效激光能量Eeff是最终诱发器件单粒子效应的参量。由于不同器件的硅衬底厚度与掺杂浓度各不相同,需要建立两者换算的见公式(A.3),